HomeСварка стали › История автоматизации сварки стали

История автоматизации сварки стали

История автоматизации сварки сталиДолгое время сварка остается ручной. Такой метод сварки не позволяет ей войти в поточную линию, ускорить сборку и монтаж изделий, гарантировать безупречное качество соединений. Автоматизировать сварку решает коллектив Института электросварки Академии наук УССР, которым руководил тогда Е. О. Патон.

 

Из всех известных тогда видов сварки наилучшее качество обеспечивала сварка штучными покрытыми электродами, которые сварщик по мере оплавления подавал в зону сварки вручную. Решено было отдельные короткие электроды заменить электродной проволокой большой длины, покрытой обмазкой. Тогда легко было бы механизировать подачу электрода из мотка проволоки, а сам подающий механизм перемещать вдоль -шва.

 

Но длина штучных электродов ограничена (до полуметра) не только потому, что так удобно сварщику. Дело в том, что обмазка не-электропроводна и ток к электроду подводится с конца, который оставляют непокрытым. Ток, проходя вдоль по электроду в соответствии с законом Джоуля — Ленца, нагревает металлический стержень тем сильнее, чем больше его длина.

 

А нагревание до высокой температуры недопустимо — отваливается электродное покрытие. Увеличить площадь поперечного сечения стержня (чтобы уменьшить количество выделяющегося тепла) тоже нельзя, потому что для устойчивого горения дуги и равномерного плавления электрода необходима определенная плотность тока на конце электрода.

 

Одним словом, законы природы требовали, чтобы ток к электродной проволоке подводился в месте, расположенном поближе к дуге. Чем ближе, тем большую плотность тока (т. е. отношение силы тока к площади сечения электрода) можно допустить без перегрева электрода. А чем больше плотность, тем больше скорость плавления электрода, тем большую толщину можно проплавить, тем выше производительность сварки.

 

Одновременно с поисковыми работами по автоматизации процесса сварки были развернуты научные работы по исследованию энергетических характеристик дуги и металлургических процессов в сварочной ванне. Токоподвод удалось «организовать». В институте было разработано несколько типов проволоки, покрытой неэлектропроводной обмазкой и в то же время способной подключиться к сварочной электроцепи через свою поверхность.

 

Наиболее подходящей оказалась «крестовая» проволока, на поверхности которой оставались непокрытые обмазкой полосы. Через них и подводился ток от отдельной щетки, расположенной в направляющем мундштуке. Сварочная головка с зависимой скоростью подачи. Теперь вместо короткого штучного электрода можно было использовать моток проволоки и работать длительное время без перезарядки.

 

Для подачи электрода в зону сварки был сконструирован специальный подающий механизм. Его вместе с токо-проводящей системой и катушкой с проволокой устанавливали на тележку, которая и перемещала сварочную головку вдоль линии шва. Механическая и электрическая части сварочной головки должны были сохранить постоянство длины дуги. Электрод подавался с точно такой скоростью, с какой оплавлялся его конец.

 

А скорость плавления электрода зависит от множества факторов. Главный из них — сила тока, точнее — плотность тока. Значение имеет состав окружающей среды, температура плавления электрода и ванны.

 

Выбрать и сохранить необходимую длину дуги, управлять полетом капель, отрывающихся с конца электрода, получить необходимый развар кромок изделия, длину и глубину ванны — для того чтобы выполнить эти задачи, от сварщика требуются и знания и природное дарование.

 

Под руководством Е. О. Патона была создана сварочная головка, которая смогла воспроизвести движения опытного сварщика. Механизм не только регулировал скорость подачи и скорость плавления электрода, но и реагировал на рельеф свариваемой поверхности, на то, что дуга внезапно удлинялась или укорачивалась. Головка состоит из четырех конических зубчатых шестерен.

 

Две шестерни ведущие, имеют независимые приводы от отдельных двигателей (через червячные пары). А две другие шестерни — сателлиты, свободно насажены на цапфы крестовины основного- валика. На конце валика закреплен ведущий ролик. Ведущий и холостой ролики подают электродную проволоку.

под флюсом. В 1939 г. передовые сварщики почти достигли такой же скорости сварки, как при автоматической сварке покрытой электродной проволокой.

 

Узнав о новейших достижениях сварщиков-стахановцев, Е. О. Патон сумел верно оценить создавшееся положение. Он понимал, что, на каком бы уровне ни улучшать старый, пусть самый удачный способ, ручники всегда будут «поджимать». И только новые качественные изменения, внесенные в процесс автоматической сварки, могут дать желаемые результаты. При этом необходимо отказаться от электродного покрытия, которое мешало увеличить плотность тока и тем самым повысить скорость плавления электрода.

 

Схема сварочной головки с зависимой скоростью подачи электродной проволоки. Сейчас, когда известны результаты поиска, когда в основе наиболее распространенных способов сварки лежит идея голого электрода, может создаться впечатление, что эта идея была очевидной. Однако сам по себе отказ от покрытия приводил к отрицательным результатам: при этом ухудшалось качество шва.

 

При плохой защите зоны сварки воздух проникает к сварочной ванне. Образовавшиеся при этом окислы и нитриды железа попадают в металл шва, делают его хрупким. В результате резко уменьшается пластичность, снижается сопротивление удару, образуются трещины.

 

Изобретатели дуговой сварки Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов предложили несколько способов защиты сварочной ванны. Наиболее эффективным из них был способ Н. Г. Славянова. Отдельные участки будущего шва предварительно заформовывали и заливали расплавленным шлаком. Практически этот способ годился только для ремонта — наплавки металла на отдельные участки изделия.

 

Увеличение же мощности дуги все равно оставалось проблемой, потому что конец электрода и примыкающая к нему часть дуги не были защищены от влияния воздуха. Электрод плавился, жидкий металл разбрызгивался, и тем сильнее, чем выше была плотность тока.

 

И все же Е. О. Патон приходит к выводу, что необходимо совершенствовать сварку, защитив ванну, а если удастся, и электроды сыпучими веществами — флюсами. Причем флюсы должны быть активными, подобно обмазке штучных электродов.

 

В то время науки, известной теперь как металлургия сварки, еще не существовало. Правда, в Институте электросварки уже несколько лет исследовали различные компоненты обмазок и составы электродной проволоки. Но флюсы, по составу сходные с составом лучших обмазок электродов, не давали хорошего качества металла. Очевидно, сварка под флюсом протекала в иных условиях.

 

Но в каких? Что происходит под толстым слоем стекловидных зерен размером с рисовые или пшеничные зерна? Задача исследовать природу тысячеградусного сильноточного процесса была чрезвычайно сложной. Не было даже единого мнения о том, горит ли под флюсом дуга. В США сотрудники фирмы Линде, также разрабатывавшие сварку под флюсом, считали, что тепло для расплавления электрода и свариваемых кромок выделяется при прохождении тока через расплавленный, ставший электропроводимым флюс.

Е. О. Патон, учитывая некоторые наблюдения, в том числе наличие глубокого кратера — углубления в конце шва, возникающего обычно из-за давления дуги на ванну, придерживался «дуговой» гипотезы.

 

Забегая вперед, скажем, что в 1943 г. в Институте электросварки было проведено осциллографирование процесса и экспериментально доказано существование дуги при сварке под флюсом. Разработчики получили надежные теоретические предпосылки. Позже дугу удалось увидеть через кварцевую трубку.

 

В самом начале 1940 г. был разработан состав первого промышленного плавленного флюса для сварки плавящимся стальным электродом. Одновременно в институте закончили проектирование и изготовили специальную сварочную головку-автомат, способный кроме обычных операций подавать флюс в зону сварки и собирать его Сразу же после сварки. Для различных типов сталей было предложено несколько марок электродной проволоки.

 

С конца 1940 г. в нашей стране приступили к широкому внедрению отечественного метода скоростной автоматической сварки. Танкостроители поначалу не особенно доверяли сварке — этому слишком быстрому способу соединения металлов и считали клепку более надежным и производительным процессом.

 

Однако в 1937 г. корпус танка Т-26 был изготовлен не клепкой, а ручной дуговой сваркой. В 1939 г. во время войны с белофиннами обнаружилась слабость брони клепаных танков Т-28. И тогда к корпусам и башням уже готовых к отправке на фронт машин были приварены дополнительные броневые листы толщиной 20-50 мм.

 

Но главной заботой сварщиков стали новые танки. 19 декабря 1939 г. успешно прошел испытания и был рекомендован в производство средний танк Т-34, оказавшийся самым лучшим из танков, участвовавших во второй мировой войне.

 

Успех применения той или иной конструкции танка (впрочем, как идругих машин широкого потребления) в значительной степени зависит от приспособленности к массовому производству, от надежности технологии изготовления. При массовом производстве недопустимы часто повторяющийся брак, перерасход энергии и материалов, завышенная трудоемкость. Ведь даже малейший недостаток, незаметное на первый взгляд на единичной машине упущение, умноженное на большое количество машин, обернется довольно значительными потерями, которые особенно ощутимы в военное время.

 

Суровые условия войны требовали десятки тысяч танков. Препятствием к увеличению выпуска танков стали бронекорпуса, которые необходимо было сваривать. Чтобы выполнить эту работу, нужны были сотни, тысячи высококвалифицированных сварщиков. А вместе с тем даже в мирное время опытных сварщиков не хватало. Подготовить в кратчайший срок необходимое количество специалистов было немыслимо.

 

Из создавшегося положения был только один выход — автоматическая сварка. И в это трудное время Е. О. Патон начал разработку технологии автоматической сварки брони под флюсом с электродной проволокой.

 

Задача, которая стояла перед коллективом института, — выяснить причину растрескивания шва и разработать технологию сварки брони.

Броню непревзойденного качества смогли создать советские металлурги. Но те же химические элементы, что обеспечивали металлу хорошую противо-снарядную стойкость и живучесть, делали его чувствительным к нагреву, ухудшали свариваемость. Однако сварщики обязаны были принять броню целиком, со всеми ее свойствами — хорошими и плохими.

 

Мягкий шов. Лабораторные исследования все же увенчались успехом — была найдена основная причина образования трещин. Оказалось, что высокая проплавляющая способность дуги, горящей под флюсом, необходимая для повышения производительности процесса, имеет и отрицательную сторону. В сварочную ванну попадало значительное количество основного металла. Вместе с тем в ванну переходил и углерод. «Объединяясь» с легирующими примесями, углерод делал металл шва склонным к образованию трещин.

 

Для решения этой проблемы была предложена оригинальная идея — предварительно уложить в зазор между кромками малоуглеродистую проволоку и затратить часть тепла на ее плавление. Развар кромок уменьшился, и в ванне снизилось содержание углерода.

 

Оставалось ответить на вопросы: как будут чувствовать себя танки в бою, при попадании снарядов прямо в шов с уменьшенным содержанием углерода? Можно ли допустить в «работу» танки, сваренные швом более мягким и менее твердым, чем броня?

 

Е. О. Патон до испытания ответил на эти вопросы: поскольку диаметр снаряда больше ширины шва, то снаряд, попавший точно в шов, все равно встретится с броней и заклинится между кромками в мягком шве. Бездефектный  вязкий шов должен хорошо принимать на себя ударные нагрузки при таране. На полигоне подтвердилось: ученый прав.

 

На испытательный полигон доставили корпус танка, один борт которого был сварен старым способом — вручную, а другой — автоматом под флюсом. От бронебойных и фугасных снарядов «ручные» швы быстро разрушались. «Автоматные» швы продолжали держать изуродованные броневые плиты.

 

Танковый конвейер. Технология автоматической сварки корпусов танков быстро внедрялась на заводах Урала, Сибири, Поволжья. Научные сотрудники Института электросварки из лаборатории перебрались в цеха, стали инструкторами-наставниками, мастерами, технологами.

 

Конструкторская группа в кратчайшие сроки спроектировала специализированные установки для изготовления различных узлов боевых машин, в том числе для сварки кольцевых швов, которыми приваривались командирские башенки, для приварки отражательных подбашенных колец. Скоростная сварка заставила улучшить весь процесс изготовления корпусов.

 

В цехе был изменен порядок рабочих мест, из вагонеток был сооружен конвейер для сборки и сварки танковых корпусов. Теперь уже заготовки в строгой последовательности поступали на сборочно-сварочные места, где из них формировались узлы и корпуса боевых машин.

 

Производительность нового способа сварки превзошла возможности сварки покрытыми электродами. Например, чтобы приварить днище подкрылка к борту старым способом сварки, высококвалифицированному сварщику нужно было затратить около 20 ч. Новичок после 5-10 дней обучения варил эти швы новым способом сварки за 2 ч. Ввод одной автоматической сварочной установки освобождал 7 сварочных трансформаторов и 8 дросселей-регуляторов, обеспечивал экономию 42% электроэнергии. Но главное — это высокое качество и необходимое количество танков.

 

О работе Е. О. Патона в то время была сложена легенда. Танкисты, ездившие на заводы получать танки, рассказывали своим товарищам, что ходит по цехам высокий седоусый профессор-академик, специально приехавший с Украины, выстукивает молоточком и выслушивает каждый танк. И если уж он дает «добро», за машину можно не беспокоиться — снаряд не сможет пробить ее броню.

 

К лету 1942 г. Красная Армия имела 4065 новых танков, а во второй половине этого же года советская промышленность по производству танков уже обогнала промышленность фашистской Германии и порабощенных ею стран. На танкостроительных заводах работало уже несколько десятков автосварочных установок.

 

Советский Союз выиграл промышленную битву с германскими концернами. Летом 1943 г. Красная Армия одержала победу в беспрецедентном в истории войны танковом сражении под Про-хоровкой, в районе Курска. Советские танкисты смело вступали в бой с фашистскими танками любых типов. За несколько дней были полностью разгромлены семь танковых дивизий нацистов.

 

А сварщики уже разрабатывали технологию соединения броневых плит толщиной 90 и 120 мм для тяжелых танков и самоходных установок серии «ИС».

Сконструированная в мирное время, рассчитанная на спокойную эксплуатацию, сварочная двухмоторная головка с обратной связью оказалась теперь недостаточно надежной. Моторы для подачи электродной проволоки в условиях военного времени работали плохо. Колебания напряжения в сети влияли на число оборотов двигателя постоянного тока, а следовательно, и на скорость подачи проволоки. Нарушение режима сварки неизбежно приводило к браку.

 

В настоящее время сварщики, используя достижения электроники, создали аппаратуру с надежными стабилизирующими системами, с системами, регулирующими различные параметры дуги. При помощи этой аппаратуры можно управлять процессом сварки, программировать изменения параметров и т. д. В военное время даже стабилизация напряжения была почти неосуществимой технической проблемой.

 

Вторым недостатком довоенной головки была сложность ее механической части, основанной на использовании специального дифференциала. В мирное время на эту сложность никто и внимания не обращал, но в условиях военного времени, когда запасы комплектующих деталей кончились, выпуск сварочных головок оказался под угрозой срыва.

 

Е. О. Патон давно заметил недостатки двухмоторных головок и принимал все меры, чтобы упростить конструкцию, повысить надежность их работы. И все же наилучшим решением оказалась разработка принципиально нового аппарата. Новая головка была сконструирована с учетом свойства саморегулирования дуги, открытого в Институте электросварки в 1942 г.

 

Саморегулирование дуги проявляется при сварке плавящимся электродом при достаточно больших плотностях тока. При этом устойчивый режим сварки характеризуется равенством скорости подачи электрода в зону дуги и скорости его плавления. Скорость подачи задают постоянной. В соответствии с ней устанавливается и скорость плавления, которая прямо пропорциональна коэффициенту плавления электрода и сварочному току.

 

Чем больше скорость подачи, тем больше и сварочный ток, тем скорее плавится электрод. Все это происходит при постоянной скорости подачи. Значит, в сварочных головках можно установить один двигатель, независимый от напряжения дуги! На головки начали монтировать трехфазные асинхронные двигатели небольшой мощности (около 100 Вт) с постоянным числом оборотов.

 

Отпала необходимость в дефицитных купроксных выпрямителях, вместо дифференциала применили обычные шестерни. Упростилась электросхема. Для изменения скорости подачи ввели сменную пару шестерен. Простота в изготовлении и надежность работы новых сварочных головок были неоспоримы. И с декабря 1942 г. мастерские Института электросварки полностью перешли на их выпуск.

 

Флюс из доменного шлака, В разгар внедрения нового способа сварки в адрес Института электросварки начали поступать тревожные сообщения: «Кончаются запасы флюса!»,

Стекольный завод, на котором перед войной был выплавлен флюс, остался на оккупированной территории. На Урале таких заводов не было. Необходимо было срочно ответить на вопросы: где получить флюс? Можно ли наладить его производство собственными силами?

 

Перед технологическими группами института, приступившими к поиску флюса-заменителя, возникла очень сложная задача — сделать флюс из местного сырья. Основываясь на опыте, накопленном при разработке сварки под флюсом, удалось рассчитать требующееся количество отдельных компонентов. Были найдены местные минералы, содержащие необходимые элементы.

 

Началась экспериментальная проверка. Различные минералы дробили, просеивали, тщательно взвешивали, перемешивали, засыпали в электропечь.

После 2-3 ч варки при температуре около 1600° С расплав гранулировали (выливали) в воду, высушивали, размельчали, просеивали. Флюс испытывали сразу непосредственно на сварке. Требования были высокие.

 

При сварке дуга должна гореть устойчиво, с незначительными колебаниями тока и напряжения, пламя не должно прорываться через флЮс, шов должен быть ровным, поверхность блестящая, с мелкими чешуйками, шлак должен свободно отделяться при легком ударе, никаких трещин и дефектов не допускается…

 

Одни составы были забракованы сразу, над другими продолжали работать, корректируя с точностью до 1 — 2% содержание компонентов. Последним критерием пригодности флюса были механические испытания сварных соединений и металла шва. Во время этих испытаний определяли сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, ударную вязкость, относительное сужение, выносливость при повторных нагрузках.

 

Новый флюс назвали АН-2. Его удалось составить всего из четырех минералов: песка, известняка, марганцевой руды и небольшого количества плавикового шпата. При сплавлении их в стекловидную массу происходили некоторые химические превращения: флюс раскислялся, освобождаясь от закиси железа и высших окислов марганца (имевшихся в марганцевой руде, песке), дегазировался.

 

Е. О. Патон предложил использовать в качестве флюса доменный шлак, но он отличался повышенным содержанием серы, что для флюса не допускалось. Поэтому начали исследовать шлаки старых доменных печей, работавших на древесном угле, п котором не было серы. Шлак Ашинских домен и Уфы оказался похожим на флюс АН-2.

 

В нем недоставало только 10% окиси марганца. Металлурги добавили марганцевую руду в доменную шихту, и к лету 1942 г. разработка «шлакового» флюса, получившего индекс АШ, была закончена. Новый флюс давал возможность сваривать как броню, так и конструкционные стали. За выдающиеся заслуги в разработке скоростной сварки брони и ускорении выпуска боевой техники Е. О. Патон в марте 1943 г. был удостоен высокого звания Героя Социалистического Труда.

 

В короткий срок, в сложных условиях военного времени коллектив Института электросварки разработал оборудование и технологию автоматической дуговой сварки бро-некорпусов и других видов вооружения и боеприпасов. В США только в 1944 г. освоили сварку брони под флюсом, а в 1953 г. была выпущена первая сварочная головка с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. В Германии до конца войны сваривали танки вручную.

 

Интенсивная практическая работа по созданию дуговой сварки под флюсом велась параллельно с научно-исследовательской работой. Особое развитие в этот период получили металлургические основы сварки и научные основы конструирования сварочной аппаратуры.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.